Les scientifiques du NEXT Lab de l’Université de Tsinghua ont révélé les techniques de fabrication et d’ingénierie des TMD et ont fourni une vue comparative des TMD et des semi-conducteurs conventionnels, démontrant l’avantage de combiner les TMD avec les semi-conducteurs conventionnels.

Recherche publiée dans Journal international de la fabrication extrême, montre comment fabriquer des semi-conducteurs en couches modifiés par diverses méthodes, notamment l’ingénierie de phase, l’ingénierie des défauts, le dopage et l’alliage. Les auteurs discutent ensuite de différentes possibilités pour combiner des semi-conducteurs en couches avec des semi-conducteurs conventionnels.

Les chalcogénures de métaux de transition (TMD) avec une bande interdite et une structure de bande appropriées sont apparus comme une nouvelle génération de matériaux semi-conducteurs en couches. Ces développements ont démontré l’énorme potentiel des dispositifs basés sur TMD dans l’extension de la loi de Moore à une échelle inférieure à 1 nm.

« En principe, cela ouvre la porte à la conception d’une toute nouvelle classe de matériaux dans les applications photovoltaïques, qui ont démontré de nouvelles propriétés, telles que la supraconductivité, le couplage de spin, la ferroélectricité et le ferromagnétisme », a déclaré Chen Wang, professeur associé au National Institut d’études spatiales. École des matériaux de l’Université Tsinghua et auteur correspondant dans l’étude. « Fondamentalement, cela ouvre une nouvelle ère de dispositifs basés sur des systèmes de matériaux multicouches avec des principes innovants », a déclaré Xiaonan Deng, l’un des premiers co-auteurs de l’article.

L’industrie des semi-conducteurs évolue depuis des décennies avec la mise à l’échelle de la taille des dispositifs et l’augmentation de la densité des transistors selon la loi de Moore classique. Cependant, une extension efficace de la loi de Moore s’est heurtée aux défis de l’industrialisation et de la physique contemporaines. Les obstacles physiques les plus importants à la miniaturisation des transistors sont les effets de canal court (SCE) à plusieurs dizaines de nanomètres de longueur de canal et l’effet tunnel quantique à des longueurs de canal inférieures à 10 nanomètres.

En raison de la nature bidimensionnelle du système de matériaux en couches, des structures hétérogènes entre les matériaux en couches peuvent être formées soit latéralement via des liaisons chimiques, soit verticalement via des interactions de van der Waals (vdW), permettant des dispositifs hétérogènes basés sur des matériaux en couches. Les hétérojonctions chimiques intégrées offrent des avantages tels qu’une ligne intérieure atomiquement mince, un processus de production de masse basé sur des réactions chimiques et les avantages uniques des dispositifs électroniques et optoélectroniques.

D’autre part, les hétérostructures vdW (vdWH) peuvent être composées de matériaux en couches aléatoires, offrant des angles d’agencement et d’empilement très flexibles, ainsi que des interfaces naturellement nettes. Mais le problème persiste dans le réglage fin, les performances des dispositifs et l’ingénierie industrielle des semi-conducteurs en couches, ce qui entrave l’utilisation généralisée des dispositifs basés sur des semi-conducteurs en couches.

En fait, les scientifiques pensent qu’en raison de la nature bidimensionnelle du système de matériaux en couches, la plupart des processus utilisés dans les dispositifs bidimensionnels sont compatibles avec les technologies à base de silicium. De plus, la large gamme de matériaux en couches avec une structure de bande diversifiée, lorsqu’elle est combinée à la structure de bande bien établie du silicium, offre un avantage synergique grâce à une intégration hétérogène.

Par la suite, Wang a commencé à expérimenter des TMD modifiés de diverses manières, notamment l’ingénierie de phase, l’ingénierie des défauts, le dopage et l’alliage.

À la surprise des scientifiques, les dispositifs TMD permettent d’explorer la prochaine génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques. « De plus, les vdWH peuvent être formés en combinant différents types de matériaux en couches et de semi-conducteurs conventionnels pour obtenir des dispositifs fonctionnels », a déclaré Simian Zhang (PhD 21), l’un des co-auteurs. Ceci est très utile pour un appareil qui doit fonctionner dans le monde réel.

Cependant, ce qui a le plus retenu l’attention des scientifiques, c’est la non-uniformité des propriétés des nouveaux matériaux à l’interface. « Compte tenu des principes de base, cela ne devrait pas avoir de sens pour qu’il agisse comme un semi-conducteur », a commenté Chen. Malheureusement, aucune théorie bien établie ne peut expliquer ce phénomène.

Wang et Chen et leur laboratoire ont travaillé avec d’autres scientifiques de l’université pour essayer de comprendre les propriétés d’interface des TMD et des semi-conducteurs conventionnels de différentes manières. Après des tests, des simulations et des travaux théoriques, ils pensent que les propriétés des TMD peuvent être modifiées via l’ingénierie de phase, l’ingénierie des défauts, le dopage et l’alliage, offrant une large gamme d’alternatives pour des semi-conducteurs de haute qualité avec une phase stable et une structure de bande appropriée.

De plus, les phases non conductrices des semi-conducteurs en couches peuvent être utilisées comme contacts, diélectriques et couches interfaciales pour construire des dispositifs hautes performances, améliorant ainsi les avantages technologiques par rapport aux matériaux en silicium monophasés.

Le résultat final est inégalé pour les matériaux stratifiés. « La communauté de la recherche et l’industrie travaillent activement pour relever ces défis afin de faciliter l’intégration hétérogène », a déclaré Chen. Les scientifiques sont ravis parce que la découverte indique un principe de conception fondamentalement nouveau pour l’électronique et la technologie optoélectronique. Les matériaux en couches sont si importants, ont-ils expliqué, que presque tout nouveau développement ouvre de nouvelles lignes de technologie.

Une propriété intéressante du matériau est les nouvelles options pour former des hétérostructures. Par exemple, la synthèse de WS₂-WSe₂ et MoS₂– Ministère₂ Des hétérostructures latérales peuvent être fabriquées par croissance par étapes. Les TMD avec une hétérostructure peuvent être fabriqués en utilisant soit une étape de croissance, soit un empilement mécanique.

Les semi-conducteurs en couches, qui sont représentés par des dispositifs TMD atomiquement minces avec des interfaces vdW propres, présentent une excellente contrôlabilité et une intégration hétérogène avec d’autres matériaux en couches. Par conséquent, les dispositifs basés sur des TMD ont été traités comme des candidats prometteurs pour une variété d’applications de dispositifs.

Les semi-conducteurs en couches représentés par les TMD présentent un grand potentiel dans les futurs dispositifs électroniques et optoélectroniques. Cependant, malgré leurs propriétés inhabituelles et leurs nouvelles applications, leur adoption a été entravée par les défis rencontrés dans le réglage fin des semi-conducteurs en couches et de l’ingénierie des dispositifs.

L’équipe explore également l’intégration hétérogène des semi-conducteurs en couches et des semi-conducteurs conventionnels. « Nous pensons que l’intégration hétérogène des semi-conducteurs en couches et conventionnels, et la combinaison des avantages techniques et économiques des deux systèmes de matériaux offrent une voie médiane pratique pour le début de l’ère post-Moore », a déclaré Wang.

Wang a déclaré : « Bien que la commercialisation des dispositifs hétéro-intégrés traditionnels n’ait pas encore été réalisée, de grands progrès ont été réalisés dans la physique intrinsèque, les propriétés des matériaux, les structures des dispositifs et les stratégies d’intégration qui indiquent des perspectives prometteuses pour l’avenir.